基于FAN7710V的CFL鎮(zhèn)流器原理與設(shè)計(jì)

0 引言

緊湊型熒光燈(CFL)燈管不是直管形的，而是彎曲而成的，管徑較細(xì)。CFL與鎮(zhèn)流器是一體化的，一般使用與白熾燈通用的燈頭，安裝十分方便。目前被廣泛應(yīng)用的2U、3U和螺旋型節(jié)能燈，都屬于CFL。CFL對(duì)鎮(zhèn)流器的要求之一是占位小。

國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的CFL電子鎮(zhèn)流器大多采用分立元器件制作，需使用磁環(huán)變壓器，一般都沒有燈絲預(yù)熱功能。采用控制IC設(shè)計(jì)CFL鎮(zhèn)流器，不需要磁環(huán)變壓器，并提供燈絲預(yù)熱和保護(hù)功能，能使元件數(shù)量大幅縮減，幾乎不需要調(diào)試，非常適合于大批量生產(chǎn)。

1 FAN7710V鎮(zhèn)流器控制IC

飛兆半導(dǎo)體推出新型CFL鎮(zhèn)流器控制器芯片F(xiàn)AN7710V采用符合歐盟RoHS指令的無(wú)鉛8引腳DIP封裝，引腳排列如圖1所示。

圖1 FAN7710V引腳排列

FAN7710V芯片集成了CFL鎮(zhèn)流器控制電路、保護(hù)電路、半橋逆變器中的高/低端驅(qū)動(dòng)器和兩個(gè)高壓(>440V)功率MOSFET。

FAN7710V引腳VDC可以承受440V以上的DC(總線)電壓;高端懸浮通道電壓從IC引腳VB輸入，為自舉操作可達(dá)465V;芯片控制電路和低端驅(qū)動(dòng)器電源電壓從IC引腳VDD施加，內(nèi)部被15.2V的齊納二極管鉗位;引腳RT連接振蕩器頻率設(shè)置電阻(RT);引腳CPH連接燈陰極預(yù)熱時(shí)間設(shè)置電容(CPH);引腳OUT為半橋輸出，同時(shí)又是高端浮置電源回復(fù)端;SGND是信號(hào)地;PGND為電源地。

FAN7 7 1 0V啟動(dòng)電流和工作電流分別低至120μA和2.6mA,運(yùn)行頻率和燈絲預(yù)熱時(shí)間可調(diào)節(jié)，內(nèi)含有源零電壓開關(guān)(ZVS)電路，并能檢測(cè)燈開路狀態(tài)，提供無(wú)燈(no lamp)保護(hù)和熱關(guān)閉(@165℃)保護(hù)，具有抗高dU /dt噪聲入侵能力。

2 基于FAN7710V的CFL鎮(zhèn)流器

基于控制器FAN7710V的典型CFL電子鎮(zhèn)流器電路如圖2所示。

圖2 基于FAN7710V的CFL電子鎮(zhèn)流器電路

1)工作原理

(1)電路啟動(dòng)與電荷泵供電電源

接通AC線路，橋式全波整流器(電容)濾波電路輸出DC總線電壓通過啟動(dòng)電阻R start對(duì)電容CVDD充電。一旦IC引腳VDD上的電壓VDD達(dá)到欠電壓鎖定(UVLO)導(dǎo)通門限VDDTH(ST+)電平(典型值是13.5V)，IC引腳VDD開通，IC內(nèi)振蕩器啟動(dòng)。如果V D D電壓降至關(guān)閉門限VDDTH(ST-)電平(典型值是11.6V，帶0.8V滯后)，IC則關(guān)斷。在IC引腳VDD導(dǎo)通后，C VDD則放電。為防止IC啟動(dòng)之后因C VDD放電使VDD低于11.6V而關(guān)斷，C VDD電容量應(yīng)足夠大，以在VDD電壓降至UVLO關(guān)閉門限之前就接收電荷泵電流，對(duì)C VDD充電。

一旦IC啟動(dòng)，半橋低端驅(qū)動(dòng)器首先被激活，驅(qū)動(dòng)低端MOSFET導(dǎo)通，VDD電壓則通過自舉二極管VDB對(duì)自舉電容C B充電，充電電流流經(jīng)C B和IC引腳OUT內(nèi)的低端MOSFET到地。當(dāng)IC高端驅(qū)動(dòng)器電路電壓(U B-U OUT)因C B充電達(dá)到導(dǎo)通門限VDDTH(ST+)電平(典型值是9.2V)時(shí)，高端MOSFET則導(dǎo)通，而IC內(nèi)低端MOSFET截止。在IC高端MOSFET導(dǎo)通后，C B放電。當(dāng)高端驅(qū)動(dòng)器電壓降至門限VDDTH(ST-)電平(典型值是8.6V)時(shí)，高端MOSFET關(guān)斷，而低端MOSFET導(dǎo)通。如此周而始，IC內(nèi)半橋高、低端MOSFET輪流導(dǎo)通，從而在IC引腳OUT上產(chǎn)生半橋高壓高速電壓輸出。

半橋產(chǎn)生高頻輸出后，則由C C P、V D P 1和VDP2組成的電荷泵為IC引腳VDD提供工作電流，這樣就可以使用額定功率較小的啟動(dòng)電阻R start。

當(dāng)半橋輸出U OUT為高電平時(shí)，電感器電流和C CP產(chǎn)生一個(gè)帶斜率dU /dt 的輸出轉(zhuǎn)換，輸出上升沿充電C CP，通過C CP的電流為：I≈C CP·(dU /dt )。

充電電流經(jīng)VDP1對(duì)CVDD充電，如圖3中的電流流動(dòng)路徑(1)所示。當(dāng)輸出U OUT從高電平轉(zhuǎn)換到低電平時(shí)，C CP通過VDP2放電，電流流動(dòng)路徑如圖3中(2)所示。

圖3 電荷泵電路產(chǎn)生一個(gè)附加電源

(2)工作模式

FAN7710V有4種工作模式，即①預(yù)熱模式、②點(diǎn)火(即觸發(fā))模式、③運(yùn)行和有源ZVS模式和④關(guān)閉模式，如圖4所示。

圖4 不同工作模式FAN7710V引腳CPH的電壓、頻率和死區(qū)時(shí)間

①預(yù)熱模式(t 0～t 1)

一旦I C開始工作，內(nèi)部一個(gè)2 μA的電流源(I PH)對(duì)引腳CPH上的外接電容C PH充電。C PH上的電壓從0V開始線性增加到3V的這個(gè)過程，即為預(yù)熱模式。在該模式，燈管阻抗R L非常大，預(yù)熱電流經(jīng)過燈絲、C S和C P到地。對(duì)燈絲預(yù)熱可以降低燈點(diǎn)火電壓，并延長(zhǎng)燈管壽命。預(yù)熱頻率fPH為燈點(diǎn)亮后的運(yùn)行頻率fRUN的1.6倍，即：

預(yù)熱時(shí)間t PH是U CPH從0V增加到3V所需要的時(shí)間，計(jì)算公式為：

在預(yù)熱期間，死區(qū)時(shí)間t DT被固定在最大值3.1μs上。

②點(diǎn)火模式(t 1～t 2)

在預(yù)熱模式結(jié)束后，對(duì)C PH的充電電流I IGN為I PH的6倍(即12μA)，U CPH上升速度增大，振蕩器頻率衰減。當(dāng)頻率偏移至接近LCC諧振槽路的固有頻率時(shí)，則發(fā)生諧振，在電容C P上產(chǎn)生一個(gè)高電壓將燈管擊穿而點(diǎn)亮。U CPH從3V增加到5V的時(shí)間為點(diǎn)火時(shí)間t IGN,計(jì)算公式為：

點(diǎn)火頻率為：

在點(diǎn)火模式結(jié)束時(shí)，U CPH=5V，從式(4)可知，此式fIGN=fRUN，這意味著進(jìn)入運(yùn)行模式。

③運(yùn)行模式和有源ZVS模式

當(dāng)U CPH>5V時(shí)，工作頻率被固定再由R T決定的運(yùn)行頻率fRUN上，其值為：

一旦U CPH達(dá)到6V(即t =t 3)以上，有源ZVS則被激活。FAN7710V通過控制死區(qū)時(shí)間來(lái)滿足ZVS條件。如果ZVS失效，IC將減小U CPH以延長(zhǎng)死區(qū)時(shí)間。

圖5 所示L C C諧振槽路依據(jù)燈阻抗R L的傳輸特性，圖6為從預(yù)熱到有源ZVS模式的瞬態(tài)波形。

圖5 LCC諧振槽路傳輸特性